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挤压机的液压控制系统

发表时间：2020/9/24 来源：《基层建设》2020年第17期作者：张景义

[导读] 摘要：泵直接传动挤压机压力调整方便、速度易于精确控制，应用越来越广泛。

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        摘要：泵直接传动挤压机压力调整方便、速度易于精确控制，应用越来越广泛。泵直接传动挤压机液压控制系统主要由泵站、控制阀站、充液系统、冷却循环过滤系统、油箱及管道部分组成。基于此，本文主要对挤压机的液压控制系统进行分析探讨。
        关键词：挤压机；液压控制系统
        前言
        挤压机的液压控制系统，由于具有工作液体的容积巨大、速度控制范围大且低速控制精度要求高、卸压流量及充液流量大、卸压及换向过程中的液压冲击大等特点，从而给液压控制系统的设计带来相当大的难度。本文对此作简要论述。
        1、压机卸压控制
        当压机的力量进行挤压工作时，工作缸及高压管道内的液体压力高达30MPa，因高压液体弹性变形而造成的液体压缩量约为300L。挤压过程结束时，这部分被压缩的液体必须以适当的方式从工作缸及高压管道内排出，也就是我们习惯上所说的压机卸压。快速而平稳卸压是最为理想的卸压方式。在实际卸压过程中快速与平稳总是相互矛盾的，快速卸压势必造成很大的液压冲击及设备振动；平稳卸压则会延长卸压过程，降低压机的生产效率。
        我们在设计100MN挤压机时采取了①预卸压阀、②比例溢流阀、③比例控制动态阀、④“带阻尼卸压、排液用三级插装阀”等多种卸压手段并用的卸压方式。实际调试中发现，当工作缸内压力高于5MPa时，单独采用①或④两种卸压方式均有较大的液压冲击，而且方式④的调整及检修复位都较为复杂。方式③虽然有着较好的卸压特性，但却增加了设备的投资及运行成本。压机最终实际采用的是①和②两种形式配合控制的卸压方式。通过电控系统控制比例溢流阀的工作在卸压初始阶段有着良好的卸压性能，但当压力卸至3MPa左右时，其卸压速度却急剧减慢，此时启用预卸压阀（实际是终卸压），使工作缸的压力快速卸掉。另外，比例溢流阀还可根据不同的挤压工艺及挤压工具，对压机的最高工作压力进行设定，从而对挤压工具起到有效保护作用。鉴于此，挤压机就仅选用了预卸压阀和比例溢流阀两种卸压元件来实现压机的卸压控制，在保证压机能够按照理想的卸压曲线进行快速平稳卸压的前提下，既简化了设计，又降低了设备的投资及运行成本。
        2、挤压速度控制
        挤压速度是挤压过程中需严格控制的一个工艺参数。挤压速度与所挤型材的成分、截面形状、挤压比等因素密切相关。挤压速度过高，大量的挤压变形热会使模具及制品的温度急剧升高，从而降低模具使用寿命，严重时甚至使挤压工作无法继续进行。挤压速度过低，不仅降低了压机的生产效率，同样也会降低模具使用寿命。另外，从挤压工艺的角度看，挤压速度在挤压过程中必须相对稳定，挤压速度的波动将会造成制品表面出现波纹，影响制品质量。
        挤压机的挤压速度通常在5mm/s以内，实际生产中大多数复杂截面型材的挤压速度则处在2～3mm/s，只有在挤压形状简单、挤压比较小的型材时才用到5mm/s以上的挤压速度。
        挤压机所要求的设计挤压速度为0.2～20mm/s，最高与最低挤压速度之比达100倍。我们采用了挤压速度分段选择、无级调整的控制方式（与100MN挤压机相同）：①当挤压速度大于5mm/s时，采用不同数量的比例变量泵与定量泵进行组合工作的形式，实现挤压速度的开环容积式调速。②当挤压速度低于5mm/s时，采用专门配置的由两台小流量比例变量泵和一个高频响插装式比节
        流阀组成的控制回路来实现压机的低速闭环控制。挤压机中的实践表明，通过电气PID调节，这种控制回路能够使压机按照挤压工艺所要求的“速度—行程”曲线进行挤压速度的闭环调整控制，保证压机在极低挤压速度时不“爬行”，且其调速响应不超过50ms，从而使压机具有较高的低速挤压调速精度。

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        3、内置式穿孔系统控制
        挤压机采用的是内置式穿孔系统，且不设置机械式固定针机构，主缸的柱塞又用作穿孔活塞缸的缸体。这样的结构虽然具有机械加工制造及本体性能等方面的优势，但同时也给液压控制系统增加了相应的难度。
        3.1随动针挤压及穿孔针保护
        当压机以随动针挤压工艺挤制管材时，穿孔针先运行到模具定径带，然后关闭穿孔活塞缸两腔的控制阀门，穿孔针随挤压杆一起向前运动。在穿孔活塞缸的两腔还设有比例溢流阀，用以设定穿孔针的保护压力，防止穿孔针在随动挤压过程因受到过大摩擦力而被拉断。
        3.2固定针挤压
        在固定针挤压工艺时，因压机无机械式固定针机构，必须采用液压控制方式来实现挤压过程穿孔针相对模具的位置固定。为此，我们专门配置了一套液压固定针控制回路。大型挤压机的液压固定针控制回路通常可由四个插装式比例节流阀组成，穿孔缸两腔各设两个，分别用作进液阀和排液阀。进、排液阀均选用比例阀的目的是为了便于实现穿孔针的精准控制。在固定针挤压过程中，由电气系统采集挤压杆及穿孔针的位置和速度信号，通过PID调节实现穿孔针的闭环控制。实践证明，穿孔针固定位置的精度可以控制在2～3mm以内，完全可以满足无缝管及组合针空心型材固定针挤压工艺的要求。〔1〕实际控制过程中进、排液阀动作由于存在不同步的可能，生产中曾出现过穿孔针被意外拉断的现象。为了避免这种情况，挤压机的固定针控制回路则由一个高频响滑阀式比例阀构成，在保证固定针挤压工艺要求的前提下，从根源上杜绝了穿孔缸两腔进、排液不同步的可能，从而更有效地为穿孔针提供保护。
        3.3穿孔针快速运动控制
        为了解决穿孔针空程及回程运动时大流量的需求，我们在压机动梁上设置了一个双作用插装式差动阀，并在主柱塞内设置了三个穿孔针快回柱塞缸。穿孔针快速前进时，差动阀开启，穿孔活塞缸杆腔油液经差动阀直接进入活塞腔，既减少了所需的主泵流量，又缩小了高压管道的规格。穿孔针快速回程时，差动阀同时开启，穿孔活塞在快回缸的作用下快速回程，穿孔活塞缸活塞腔中的油液一部分经差动阀直接进入活塞杆腔，另一部分则通过高压管道经排液阀流回油箱。在进行穿孔、挤压及拔针等工作时，差动阀则处于关闭状态，用于切断穿孔缸两腔的连接。
        4、大流量充液系统
        挤压机在作快速空程及回程运动时，主缸的进、排液流量将达到62000L/min，如此大的流量如果仅靠一个充液阀来实现，势必会给充液阀的设计、制造带来很大难度。为了解决这一难题，我们采用了在主缸尾部安装三个充液阀并联使用而构成的充液系统，实践证明这种充液系统的设计是成功的。挤压机所用的DN400带阀芯位置检测的充液阀为自行开发设计，并获得了国家专利，这个充液阀的规格也是当时国内卧式挤压机用充液阀中最大的。挤压机采用了与100MN挤压机类似的充液系统，并自行开发研制出了相应规格为DN450的充液阀。
        5、主控系统控制阀
        大流量液压系统的主控系统通常主要由集成式插装阀构成。插装阀具有动作行程小、过流能力大、动作响应快、抗污染能力强等特点。采用集成式插装阀结构大大减少了外接管路，从而有效降低了系统外泄露的隐患。挤压机主控系统选用了大量的三级控制插装阀。这种插装阀可通过控制盖上有关控制元件的作用实现主阀启闭速度的理想控制，获得较好的压机控制性能。但三级插装阀控制盖的设计和加工困难，调整维护复杂。针对这种情况，挤压机主控系统采用的则是带外控功能的两级控制插装阀。两级插装阀控制盖的设计、加工及调整维护均较为简便。通过调整先导控制阀下叠加的双作用单向节流阀，同样可以实现对主阀启闭速度的有效控制。所带外控功能可以有效改善大型两级插装阀动作响应慢的缺点。
        参考文献：
        ［1］俞新路．液压机的设计及应用［M］．北京：机械工业出版社，2006．
        ［2］徐毅，李文峰．液压与气压传动技术［M］．北京：国防工业出版社，2007．